北投溫泉博物館前身為「北投公共浴場」,由日治時期的台北廳長井村大吉下令擘劃,總督府建築設計師森山松之助監造,完工於1913年(大正二年)6月17日,為和洋折衷風格的雙層建築,亦為當時東亞最大的溫泉公共浴場。
第二次世界大戰後,公共浴場曾作為中山堂、台北縣議會招待所、民眾服務處、民防指揮部與光明派出所等使用,因管理單位更迭而終至荒廢。直到1994年,一群北投國小師生在鄉土校外教學的過程中,發現形同廢墟的北投公共浴場。為保存古蹟及空間再利用,這群孩子、社區居民及文史工作者一同發起連署陳情書,希望保留浴場。
歷經不斷的溝通與協調,北投公共浴場終於在1997年經內政部公告為三級古蹟 (現為市定古蹟),1998年10月31日在地方熱心居民與臺北市政府的斥資整修下,以「北投溫泉博物館」之名正式重新開放使用。